秦 濤， 張俊文， 劉 剛， 蔣元男， 劉振文

(黑龍江科技大學(xué) 黑龍江省煤礦深部開采地壓控制與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 哈爾濱 150022)

巖石加載過程中表面變形場的演化機(jī)制

秦 濤， 張俊文， 劉 剛， 蔣元男， 劉振文

(黑龍江科技大學(xué) 黑龍江省煤礦深部開采地壓控制與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 哈爾濱 150022)

應(yīng)用數(shù)字散斑相關(guān)法和聲發(fā)射技術(shù)，開展巖石單軸加載過程中損傷破壞機(jī)理研究。結(jié)合巖石加載過程中數(shù)字散斑圖像和聲發(fā)射監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析巖石單軸加載過程中裂紋擴(kuò)展與損傷演化規(guī)律、巖石表面變形場演化與分區(qū)化特征。結(jié)果表明：巖石試件加載過程中應(yīng)力曲線與聲發(fā)射振鈴計(jì)算曲線表現(xiàn)出明顯的對應(yīng)關(guān)系，加載過程中聲發(fā)射參數(shù)特征可以較好的反映巖石加載過程內(nèi)部損傷與裂紋擴(kuò)展規(guī)律。數(shù)字散斑相關(guān)法可用于分析巖石加載過程中軸向與橫向變形場分布和裂紋擴(kuò)展規(guī)律。數(shù)字散斑計(jì)算的橫向位移場、橫向主應(yīng)力方向?qū)υ嚰a(chǎn)生的影響更明顯，說明巖石在單軸壓縮過程中的破壞，主要是由拉應(yīng)力引起橫向變形集中而產(chǎn)生的局部剪切破壞。

巖石； 數(shù)字相關(guān)方法； 變形場； 聲發(fā)射

0 引 言

上述研究主要集中在巖石發(fā)生明顯損傷或破壞前后的應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)變、能量演化規(guī)律等方面，以揭示巖石破壞過程與機(jī)理。然而，巖石作為各種尺度缺陷的非均質(zhì)材料，在受載過程中其內(nèi)部損傷與表面變形場演化必然存在直接的關(guān)系，如何通過多種實(shí)驗(yàn)手段與方法開展巖石受載全過程中內(nèi)部損傷與巖石表面變形場演化規(guī)律研究，對于進(jìn)一步研究巖石的非線性變形規(guī)律和損傷破壞規(guī)律具有重要意義?；诖?，筆者應(yīng)用三維數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)(3D Digital image correlation，3D-DIC)來實(shí)現(xiàn)巖石材料在單軸壓縮破壞過程中自由表面連續(xù)變形場的測試，以分析變形場與破壞形態(tài)的關(guān)系，同時輔以聲發(fā)射測試技術(shù)，分析巖石試件單軸壓縮過程中巖石內(nèi)部裂紋擴(kuò)展及損傷破壞規(guī)律，以此獲取單軸壓縮加載過程中巖石表面變形場分布演化規(guī)律和巖石裂紋擴(kuò)展損傷規(guī)律。

1 數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)原理

數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)是一種對物體力學(xué)狀態(tài)變化下全場變形進(jìn)行非接觸、高精度測量的現(xiàn)代光測手段，可用于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)巖石變形破壞測試分析，以及巖石邊坡、巖石地下洞室等工程現(xiàn)場巖體變形監(jiān)測、損傷預(yù)測和破壞監(jiān)測。數(shù)字圖像相關(guān)方法的原理是通過光學(xué)原理與數(shù)學(xué)計(jì)算方法匹配兩幅圖像上的對應(yīng)點(diǎn)，其中一幅圖像作為參考圖像，另外一幅圖像作為待匹配圖像，在參考圖像中，取以待匹配點(diǎn)(x，y)為中心的(2M+1)×(2M+1)大小的矩形子圖像，在待匹配圖像中，通過一定的搜索方法，并按照制定的數(shù)學(xué)函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，尋找與選定子圖像相關(guān)系數(shù)最大的、以(x′，y′)為中心的子圖像，則點(diǎn)(x′，y′)即為點(diǎn)(x，y)在待匹配圖像中的對應(yīng)點(diǎn)，進(jìn)而通過兩幅圖像對應(yīng)點(diǎn)的變化情況分析其變形與運(yùn)移特征。數(shù)字圖像法原理如圖1所示。

圖1 數(shù)字圖像法原理

基于數(shù)字圖像相關(guān)方法原理的XTDIC三維光學(xué)散斑系統(tǒng)，通過兩個高精度攝像機(jī)實(shí)時采集目標(biāo)物體各變形階段的散斑圖像，利用數(shù)字圖像數(shù)學(xué)算法實(shí)現(xiàn)物體表面變形點(diǎn)的匹配，根據(jù)各點(diǎn)的視差數(shù)據(jù)和預(yù)先標(biāo)定得到的相機(jī)參數(shù)重建物面計(jì)算點(diǎn)的三維坐標(biāo)；并通過比較每一變形狀態(tài)測量區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)的三維坐標(biāo)的變化得到物面的位移場，進(jìn)一步計(jì)算得到物面應(yīng)變場。XTDIC三維光學(xué)散斑系統(tǒng)集成了動態(tài)變形系統(tǒng)與軌跡姿態(tài)分析系統(tǒng)，在散斑計(jì)算的同時對于物體表面特殊點(diǎn)的位移變化和軌跡姿態(tài)進(jìn)一步分析計(jì)算。XTDIC系統(tǒng)結(jié)合數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)(DIC)與雙目立體視覺技術(shù)，通過設(shè)置種子點(diǎn)，追蹤物體表面的散斑圖像，實(shí)現(xiàn)變形過程中物體表面的三維坐標(biāo)、位移及應(yīng)變的測量。

2 實(shí)驗(yàn)方法與設(shè)備

按照國際巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)要求，將砂巖巖樣加工成直徑50 mm、高100 mm的圓柱體標(biāo)準(zhǔn)試件，實(shí)驗(yàn)加載裝置為TYJ-500KN微機(jī)控制電液伺服巖石剪切流變實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，采用位移控制加載方式，加載速率為0.001 mm/s。實(shí)驗(yàn)中用XTDIC三維光學(xué)散斑系統(tǒng),見圖2，采集試件表面圖像，相機(jī)圖像采集速度為每5 s采集一組圖片，圖像分辨率為1 624像素×1 236像素，圖像的物面分辨率為0.19 mm/像素。巖石加載過程中用SH-II型聲發(fā)射系統(tǒng)同步監(jiān)測巖石加載過程聲發(fā)射信息，在試件上部、下部表面對稱布置4個聲發(fā)射傳感器探頭，見圖3，聲發(fā)射采樣頻率為2.5 MHz，增益為40 dB，門檻值為30 dB。

圖2 數(shù)字散斑采集系統(tǒng)

圖3 試件聲發(fā)射探頭布置

3 巖石力學(xué)與聲發(fā)射特征

聲發(fā)射信息能夠反映巖石內(nèi)部的破裂損傷特征，聲發(fā)射特征參數(shù)與巖石內(nèi)部原生裂隙的壓密、新裂隙的萌生、擴(kuò)展、貫通等演化過程密切相關(guān)[1-4]。文中利用聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)對巖石破壞過程的聲發(fā)射特征進(jìn)行初步分析，進(jìn)而為數(shù)字散斑方法分析巖石表面變形場提供依據(jù)。試件加載過程中應(yīng)力-時間-振鈴計(jì)數(shù)曲線見圖4。

由圖4可以看出，砂巖試件加載過程中應(yīng)力曲線與聲發(fā)射振鈴計(jì)算曲線表現(xiàn)出明顯的對應(yīng)關(guān)系。加載初期的壓密階段(OB)，加載應(yīng)力為巖石峰值強(qiáng)度的0～5%，該階段主要為巖石原生裂隙的壓密閉合與裂隙調(diào)整，該階段聲發(fā)射事件數(shù)較少，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)較少，加載點(diǎn)A點(diǎn)出現(xiàn)一次明顯的應(yīng)力降和聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)的突增，是壓密階段一次較大幅度的原生裂隙調(diào)整。隨著應(yīng)力的增大，巖石加載進(jìn)入到彈性變形階段(BC)，該階段以巖石彈性變形為主，基本無巖石內(nèi)部損傷和裂紋產(chǎn)生，聲發(fā)射信號較少。隨著應(yīng)力的進(jìn)一步增大，進(jìn)入到彈性階段后期至塑性變形破壞階段(CD)，加載應(yīng)力超過80%以后，巖石逐漸產(chǎn)生新生微裂紋，該階段巖石內(nèi)部微裂紋不斷生成與擴(kuò)張，聲發(fā)射信號較明顯，每一次明顯的應(yīng)力降說明巖石內(nèi)部較大規(guī)模裂紋的生成與擴(kuò)展，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)、能量急劇增大。當(dāng)加載應(yīng)力超過峰值強(qiáng)度后，巖石內(nèi)部主破裂形成，產(chǎn)生大規(guī)模擴(kuò)展的宏觀裂紋，并伴隨著聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)峰值的出現(xiàn)。從其巖石加載過程中應(yīng)力-時間-聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)分析可以看出，巖石加載過程中聲發(fā)射參數(shù)特征可以較好的反映巖石加載過程內(nèi)部損傷與裂紋擴(kuò)展規(guī)律。

圖4 巖樣單軸壓縮聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Fig. 4 Test results of AE ringing counts of rock specimen under unaxial compression

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

巖石是一種非均質(zhì)材料，加載過程中巖石表面的變形受到多種因素影響，載荷的變化、巖石礦物顆粒大小、巖石材料的非均勻性使得巖石表面變形場呈現(xiàn)一定的非均勻變化趨勢。通過采集不同加載時刻表面散斑圖像，將原本的圖像與受力之后的圖像進(jìn)行對比計(jì)算，獲得試件表面的軸向以及橫向位移場的特點(diǎn)，隨后通過一系列的計(jì)算能夠獲得試件表面變形的變化。

試件加載過程歷時51 min，XTDIC三維光學(xué)散斑系統(tǒng)的兩個CCD相機(jī)分別采集了599張圖片，圖片采集間隔5 s。由于巖石試件布置了聲發(fā)射探頭，并且數(shù)字散斑圖像處理中間區(qū)域的準(zhǔn)確度更精確，所以選擇如圖5所示區(qū)域內(nèi)開展數(shù)字散斑計(jì)算分析。

平均QRS波電軸和平均T波電軸間圍成的夾角就是平均QRS-T夾角。當(dāng)向量環(huán)對稱時,平均QRS-T夾角等于最大空間QRS-T夾角。平均QRS-T夾角的計(jì)算公式如下:

圖5 數(shù)字散斑計(jì)算區(qū)域

4.1 表面變形場演化特征

經(jīng)過散斑圖像處理后不同加載階段軸向(y方向)位移分布云圖，見圖6。

加載初期，對應(yīng)加載曲線圖的OA段，加載持續(xù)時間500 s，采集圖像第1～100幅，雖然本階段載荷較小，但由于巖石內(nèi)部存在分布不均勻的空隙，在壓縮過程中存在局部變形，試件表面軸向變形呈現(xiàn)隨機(jī)分布的變形集中區(qū)域，未出現(xiàn)明顯的變形場分區(qū)和對稱，見圖6a。

隨著荷載的增加，試件軸向變形沿軸向呈條帶狀分布，見圖6b。此階段持續(xù)時間600 s，對應(yīng)加載曲線的AB段，采集圖片第101～220幅。從軸向變形分布云圖可以看出，左側(cè)區(qū)域變形量較大，分析其原因，主要為以下兩個方面：一方面是巖石材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)本身就存在一定的不均勻性；另一方面巖樣在制備過程中，打磨不夠精細(xì)，切割面不平整，因此實(shí)驗(yàn)機(jī)壓頭與試樣接觸面不均勻，存在一定的應(yīng)力集中，變形量增大，從其巖石最終破壞形態(tài)可以看出試件左側(cè)出現(xiàn)明顯的壓裂破壞。

隨著荷載進(jìn)一步增大，巖石材料的空隙被壓實(shí)，非均勻性減弱，加載曲線的BC段，采集圖片第221～578幅。軸向變形分布如圖6c～f，此階段軸向變形逐漸呈水平方向分層分布，此階段后期軸向變形出現(xiàn)明顯的等值線分層，從其變形場分布云圖可以看出，試件下部加載端的變形較大，逐漸向上部減小，隨著荷載的增加，軸向變形逐步增大。

值得注意的是，在加載到2 900 s時，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)出現(xiàn)明顯的增大，從CCD相機(jī)采集到原始圖片可以看出，見圖7，此時巖石已出現(xiàn)明顯的裂隙，但軸向方向上并未出現(xiàn)明顯的局部變形。從試件加載過程中橫向變形場演化分布(圖8a)可以看出，加載到87.6 kN，最大荷載的60%左右，表面變形區(qū)域的右上部出現(xiàn)明顯的橫向變形集中，最終在變形集中帶的分界區(qū)域出現(xiàn)裂紋擴(kuò)展。對比散斑圖像計(jì)算所得到的軸向與橫向變形場分布演化和裂紋擴(kuò)展趨勢，橫向位移場對試件產(chǎn)生的影響會更大一些，也可以說明巖石在單軸壓縮過程中的破壞主要是由拉應(yīng)力引起橫向變形集中而產(chǎn)生的局部剪切破壞。

a 第18幅 0.7 kN b 第106幅 4.0 kN

c 第227幅 7.2 kN d 第368幅 48.0 kN

e 第465幅 87.6 kN f 第578幅 144.7 kN

圖7 第578幅原始圖片

a 第465幅 87.6 kN b 第578幅 144.7 kN

c 第595幅 119.2 kN(峰后)

4.2 最大主應(yīng)變方向演化特征

圖9為試件在加載過程中最大主應(yīng)變方向變化情況。加載初期最大主應(yīng)變方向呈隨機(jī)變化分布，隨著荷載的增大，最大主應(yīng)變方向逐步趨于巖石試件表面水平方向，從其最大主應(yīng)變方向演化趨勢也可以看出，單軸壓縮加載過程中橫向變形對試件變形起主要控制作用，對試件失穩(wěn)破壞起到主導(dǎo)作用。

a 第18幅 0.7 kN b 第106幅 4.0 kN

c 第296幅 23.8 kN d 第368幅 48.0 kN

4.3 剪切應(yīng)變場的演化特征

整個加載過程中，剪切應(yīng)變場演化分布情況，如圖10所示。剪切應(yīng)變場演化演化特征與巖石加載過程中應(yīng)力曲線、聲發(fā)射特征參數(shù)存在較明顯的對應(yīng)關(guān)系，結(jié)合加載曲線和剪切應(yīng)變場的分布演化特征，將加載過程分為四個階段。

第1階段，位于巖石加載初期，對應(yīng)加載曲線的OB段，采用位移控制加載時，低荷載下即產(chǎn)生明顯變形，此階段主要表現(xiàn)為巖石內(nèi)部空隙壓密和試件不均勻加載產(chǎn)生的應(yīng)變局部化集中，此時應(yīng)變場局部化區(qū)域隨機(jī)分布，見圖10a～c。

第2階段，荷載呈線性加載階段，圖4的BC段，此時剪切應(yīng)變場呈現(xiàn)出分區(qū)不均勻性，試件表面最大主應(yīng)變的方向呈水平方向分布，其剪切應(yīng)變場沿軸向近似呈條帶狀，見圖10d～e。

a 第18幅 0.7 kN b 第106幅 4.0 kN

e 第465幅 87.6 kN f 第578幅 144.7 kN

g 第595幅 119.2 kN

第3階段，處于接近峰值點(diǎn)D時，此時在試件表面出現(xiàn)明顯的應(yīng)變集中條帶，試件表面右上部區(qū)域剪切應(yīng)變場呈現(xiàn)一個與軸向斜切的應(yīng)變局部集中條帶，見圖10f所示，隨著加載繼續(xù)進(jìn)行，條帶逐漸“細(xì)化”并“加深”，巖石表面產(chǎn)出明顯的宏觀裂隙(圖7)。

第4階段，處于峰值點(diǎn)以后階段，試件裂隙逐步擴(kuò)展失穩(wěn)破壞，出現(xiàn)明顯的破裂區(qū)域，應(yīng)變場主要集中在破裂區(qū)域，破裂區(qū)域應(yīng)變集中程度急劇增大，見圖10g。這說明試件在主破裂的主導(dǎo)下快速破壞。

5 結(jié) 論

(1)巖石試件加載過程中應(yīng)力曲線與聲發(fā)射振鈴計(jì)算曲線表現(xiàn)出明顯的對應(yīng)關(guān)系，巖石加載過程中聲發(fā)射參數(shù)特征可以較好的反映巖石加載過程內(nèi)部損傷與裂紋擴(kuò)展規(guī)律。

(2)從散斑圖像計(jì)算分析得出的軸向與橫向變形場分布演化和裂紋擴(kuò)展趨勢來看，橫向位移場對試件產(chǎn)生的影響更明顯，也可以說明巖石在單軸壓縮過程中的破壞主要是由拉應(yīng)力引起橫向變形集中而產(chǎn)生的局部剪切破壞。

(3)加載初期最大主應(yīng)變方向呈隨機(jī)變化分布，隨著荷載的增大，最大主應(yīng)變方向逐步趨于巖石試件表面水平方向，從其最大主應(yīng)變方向演化趨勢也可以看出，單軸壓縮加載過程中橫向變形對試件變形起主要控制作用，對試件失穩(wěn)破壞起到主導(dǎo)作用。

(4)結(jié)合加載曲線和剪切應(yīng)變場的分布演化特征，將加載過程分為四個階段，剪切應(yīng)變場演化演化特征與巖石加載過程中應(yīng)力曲線、聲發(fā)射特征參數(shù)存在較明顯的對應(yīng)關(guān)系。

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(編輯 晁曉筠 校對 李德根)

Study on evolution mechanism behind deformation fields in process of uniaxial loading

QinTao，ZhangJunwen,LiuGang,JiangYuannan,LiuZhenwen

(Heilongjiang Ground Pressure & Gas control in Deep Mining Key Lab, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper is aimed at analyzing the evolution characteristics behind the whole process of deformation and damage of rocks using digital speckle correlation method and acoustic emission. The analysis includes the evolution law of crack growth and damage, the displacement evolution of deformation localization region, and the surface deformation of rock loading, combined with digital speckle image and monitoring data of Acoustic Emission. The results demonstrate that the process of rock specimen loading is associated with a distinct corresponding relation between the stress curve and ringing curve of acoustic emission; the parameters of acoustic emission characteristics could show a better response to the law underlying the damage and crack propagation of rock loading process; digital speckle correlation method could work better for the analysis of axial field distribution and crack extension rule during rock loading process; and the lateral displacement and the direction of horizontal principal stress by digital speckle calculation have an obvious effect on the specimen, suggesting that the rock damage is mainly due to local shear failure caused by lateral deformation concentration of the tensile stress in uniaxial compression process.

rock; digital speckle correlation method; deformation field; acoustic emission

2016-12-16

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專項(xiàng)項(xiàng)目(2016YFC0600901)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51604100；51574115；51574114)；黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(E2015031)；哈爾濱市科技局科技創(chuàng)新人才專項(xiàng)(2016RQQXJ116)

秦 濤(1983-)，男，黑龍江省湯原人，副教授，碩士，研究方向：巖石力學(xué)，E-mail：19140270@qq.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.01.009

TD315; TD76

2095-7262(2017)01-0039-07

A